謝小魁，魏金占，林 卉

（1.北部灣大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，廣西 欽州 535011；2.桂林航天工業(yè)學(xué)院 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

GIS 在中國(guó)得到快速發(fā)展，目前已在科學(xué)研究、智慧城市建設(shè)、互聯(lián)網(wǎng)+智慧行業(yè)等行業(yè)取得了顯著成效。2011年5 月，國(guó)家測(cè)繪局更名為國(guó)家測(cè)繪地理信息局［1］，同年7月，中國(guó)地理信息系統(tǒng)協(xié)會(huì)更名為中國(guó)地理信息產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)［2］，標(biāo)志著測(cè)繪、地理、信息和產(chǎn)業(yè)在中國(guó)的融合，反映了國(guó)家對(duì)GIS產(chǎn)業(yè)化發(fā)展之路的重視。

隨著GIS 產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，社會(huì)對(duì)GIS 人才的需求量持續(xù)增加。通常，GIS 專業(yè)的就業(yè)崗位主要分為GIS 應(yīng)用操作和GIS 軟件開(kāi)發(fā)，而后一種是更加熱門(mén)的就業(yè)領(lǐng)域［3］。國(guó)土［4］、農(nóng)林［5］、地質(zhì)［6］、城市規(guī)劃［7］、水利［8］、醫(yī)學(xué)［9］等多個(gè)行業(yè)對(duì)GIS 二次開(kāi)發(fā)均有廣泛需求。對(duì)62 家地理信息相關(guān)單位的用人需求進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)［10］，超過(guò)一半的用人單位（33 家）要求熟悉COM 開(kāi)發(fā)技術(shù)，掌握ArcEngine、MapObjects、MapX 或SuperMap Objects 等常見(jiàn)的GIS 開(kāi)發(fā)平臺(tái)或開(kāi)發(fā)組件。“51job”“智聯(lián)招聘”“3S 招聘網(wǎng)”三大招聘網(wǎng)站數(shù)據(jù)顯示，在GIS 類別的崗位中，軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)需求量最大［11］，將來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)GIS 二次開(kāi)發(fā)需求將會(huì)居高不下。

GIS 二次開(kāi)發(fā)是測(cè)繪工程、地理信息科學(xué)、地理信息工程等專業(yè)本科生和研究生必修的一門(mén)核心課程［12］，一致認(rèn)為這是由專業(yè)課程體系和應(yīng)用型人才的社會(huì)需求共同決定。相關(guān)研究較多，研究角度涉及從產(chǎn)業(yè)型人才培養(yǎng)模式［3］、社會(huì)需求角度［11］、GIS 開(kāi)發(fā)競(jìng)賽［13-14］等方面；培養(yǎng)專業(yè)分別從地理信息科學(xué)［15］、城建類［13］、農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)［16］等專業(yè)出發(fā)，分析不同專業(yè)對(duì)GIS 二次開(kāi)發(fā)人才的特定需求；在開(kāi)發(fā)平臺(tái)和實(shí)踐教學(xué)上，主要選擇ArcEngine［14，17-18］、Map Objects［17，19］和MapX［17］等傳統(tǒng)的COM GIS；應(yīng)用案例上，選擇了三維數(shù)字校園系統(tǒng)［20］、動(dòng)態(tài)追蹤［19］、土地承包經(jīng)營(yíng)權(quán)［18］等。由于涉及內(nèi)容廣泛，包括離散數(shù)學(xué)、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法、數(shù)據(jù)庫(kù)、遙感影像處理、地圖編繪等多個(gè)專業(yè)課程［3］，應(yīng)用性強(qiáng)，動(dòng)手能力要求高，大部分學(xué)生對(duì)此課程缺乏信心和興趣，普遍認(rèn)為這門(mén)課程難度較大。

隨著地理大數(shù)據(jù)激增、人工智能快速發(fā)展、社會(huì)精細(xì)管理等方面的沖擊，社會(huì)對(duì)GIS 專業(yè)人才知識(shí)結(jié)構(gòu)和動(dòng)手能力的需求發(fā)生了極大變化。一些學(xué)者認(rèn)為，當(dāng)前國(guó)內(nèi)GIS 二次開(kāi)發(fā)的課程內(nèi)容和結(jié)構(gòu)體系比較陳舊，GIS 開(kāi)發(fā)模式和教學(xué)重點(diǎn)相對(duì)落后［3，11-12，21-23］，已不能滿足大數(shù)據(jù)和人工智能背景下GIS 人才培養(yǎng)需求。大數(shù)據(jù)需求背景下，如何設(shè)計(jì)GIS 二次開(kāi)發(fā)課程教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等，降低GIS 二次開(kāi)發(fā)課程學(xué)習(xí)難度，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促使學(xué)生適應(yīng)新形勢(shì)下社會(huì)和行業(yè)發(fā)展需求，是GIS二次開(kāi)發(fā)教學(xué)改革面臨的重要問(wèn)題。

1 傳統(tǒng)GIS二次開(kāi)發(fā)模式面臨的挑戰(zhàn)

1.1 傳統(tǒng)GIS二次開(kāi)發(fā)方式

根據(jù)內(nèi)容可將GIS 分為工具型GIS 和應(yīng)用型GIS 兩大基本類型［24］。對(duì)于大多數(shù)非GIS 專業(yè)的普通用戶而言，工具型GIS 平臺(tái)功能復(fù)雜、難以掌握，應(yīng)用型GIS 更能滿足特定行業(yè)應(yīng)用需求，市場(chǎng)上對(duì)應(yīng)用型GIS 的需求大大超過(guò)工具型GIS。應(yīng)用型GIS 一般是利用高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如Python、C#、Java、C++等），在工具型地理信息系統(tǒng)平臺(tái)（如SuperMap、MapGIS、ArcGIS、MapInfo、QGIS 等）基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)而來(lái)。

GIS 二次開(kāi)發(fā)模式主要包括單純二次開(kāi)發(fā)和集成二次開(kāi)發(fā)［3，24-25］，或者宿主型開(kāi)發(fā)和組件式開(kāi)發(fā)兩大類［21］?！皢渭兌伍_(kāi)發(fā)”又叫宿主型二次開(kāi)發(fā)，通過(guò)使用GIS 平臺(tái)的腳本語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。在過(guò)去，大多數(shù)GIS 平臺(tái)提供了自己的二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。如ESRI ArcView 有Avenue［26］，ArcGIS 早期支持VBA，MapInfo Professional 提供了MapBasic 語(yǔ)言、MGE提供了MDL［24］。這種開(kāi)發(fā)方式難度低，可以快速擴(kuò)充系統(tǒng)功能，程序穩(wěn)定?！凹啥伍_(kāi)發(fā)”又叫組件式開(kāi)發(fā)，利用通用高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（C#、Java、C++等），通過(guò)調(diào)用GIS可視化控件實(shí)現(xiàn)，大部分功能都綁定到GIS 控件。例如，ArcGIS 早期提供MapObjects 組件，后來(lái)產(chǎn)生ArcObjects 和ArcEngine 組件；MapInfo 早期擁有MapX，后期發(fā)布了MapXtreme；SuperMap 的SuperMap Objects 簡(jiǎn)單易用。此種方式對(duì)專業(yè)程序員比較友好，只需利用熟悉的通用高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境即可開(kāi)發(fā)，具有投入成本低、開(kāi)發(fā)速度快、容易集成業(yè)務(wù)工作流、開(kāi)發(fā)出來(lái)的程序界面漂亮、易于商業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)。

隨著信息技術(shù)和GIS 的發(fā)展，GIS 二次開(kāi)發(fā)的內(nèi)涵和外延也隨著發(fā)生變化。其他的GIS 二次開(kāi)發(fā)模式還包括Web API 二次開(kāi)發(fā)和開(kāi)源二次開(kāi)發(fā)［21］。Web API 開(kāi)發(fā)通過(guò)調(diào)用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)實(shí)現(xiàn)，主要用于互聯(lián)網(wǎng)電子地圖服務(wù)和公眾電子地圖展示，但空間分析功能較弱；開(kāi)源二次開(kāi)發(fā)基于優(yōu)秀的開(kāi)源GIS 平臺(tái)（如NASA WorldWind、MapWindow、QGIS 等），通過(guò)修改、優(yōu)化和擴(kuò)展源代碼實(shí)現(xiàn)。

1.2 新時(shí)期的挑戰(zhàn)

技術(shù)層面上，隨著衛(wèi)星定位、攝影測(cè)量和遙感、機(jī)載激光雷達(dá)和無(wú)人船等技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，空間數(shù)據(jù)的采集手段越來(lái)越多、成本越來(lái)越低、效率越來(lái)越高。政策層面上，隨著“一帶一路”倡議的提出和“精準(zhǔn)扶貧”“西氣東輸”“南水北調(diào)”等重大工程的實(shí)施，國(guó)家進(jìn)行了地理國(guó)情普查、第三次土地調(diào)查、林業(yè)調(diào)查、草業(yè)資源清查等全國(guó)范圍的空間信息項(xiàng)目，積累了大量的空間數(shù)據(jù)。2022 年2 月16 日，國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于開(kāi)展第三次全國(guó)土壤普查的通知》，決定自2022 年起利用4 年時(shí)間完成第三次全國(guó)土壤普查，調(diào)查方案將基于RS 和GIS 制定，數(shù)據(jù)采集利用GNSS進(jìn)行定位，成果采用GIS管理。

社會(huì)對(duì)地理數(shù)據(jù)的需求發(fā)生了極大變化，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)需求量大、計(jì)算密集型高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、業(yè)務(wù)流程繁多、專業(yè)模型復(fù)雜、智能化程度要求高。例如，疫情防控的健康碼、行程卡分析，需要集成來(lái)自各種渠道的空間大數(shù)據(jù)，進(jìn)行時(shí)空伴隨分析，精準(zhǔn)性和實(shí)時(shí)性要求都非常高。

目前，GIS 面臨供給側(cè)的地理大數(shù)據(jù)爆炸和需求側(cè)的地理大數(shù)據(jù)需求的雙重挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的GIS 二次開(kāi)發(fā)方式在大數(shù)據(jù)面前顯得力不從心。傳統(tǒng)的宿主型二次開(kāi)發(fā)使用特定腳本語(yǔ)言（如ArcView 的Avenue、ArcGIS 的VBA、Map-Info 的MapBasic），功能單一、互操作性差、難以跨平臺(tái)、計(jì)算生態(tài)嚴(yán)重缺失。例如，即使曾經(jīng)使用極為廣泛的VBA，也很難開(kāi)發(fā)出網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)工具，而目前人們大量使用這種技術(shù)下載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以打造物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，這是大數(shù)據(jù)工程建設(shè)的重要組成部分。在傳統(tǒng)的集成式開(kāi)發(fā)中，GIS 組件一般作為窗體容器的可視化控件，所有功能都通過(guò)這些控件綁定，不能以微服務(wù)的形式提供網(wǎng)絡(luò)和共享服務(wù)；如果同時(shí)使用多個(gè)GIS 平臺(tái)的控件，則會(huì)占用較多硬件資源，導(dǎo)致其運(yùn)行速度減慢，軟件不穩(wěn)定，容易崩潰，幾乎不能與大數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)框架集成，也就難以形成豐富的生態(tài)鏈。例如，進(jìn)行高斯投影科學(xué)計(jì)算，不需要可視化，只需要坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換功能即可，但在使用ArcGIS Engine 進(jìn)行高斯投影計(jì)算時(shí)，也要安裝全部的ArcGIS Engine。

同時(shí)，傳統(tǒng)的GIS 二次開(kāi)發(fā)難度較大。GIS 需要支持空間數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行大量的空間分析，因此其規(guī)模和復(fù)雜程度要遠(yuǎn)高于普通的信息管理系統(tǒng)（MIS）或統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)（例如SPSS）。開(kāi)發(fā)人員需要掌握二次開(kāi)發(fā)基本原理、組件技術(shù)基礎(chǔ)，掌握GIS 數(shù)據(jù)生產(chǎn)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、程序?qū)崿F(xiàn)的全過(guò)程［27］，也需要學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)、離散數(shù)學(xué)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法、空間數(shù)據(jù)庫(kù)、軟件工程等基礎(chǔ)課程［24］。教學(xué)內(nèi)容中的算法、代碼編寫(xiě)占很大比例，GIS 空間分析的代碼貢獻(xiàn)較少，開(kāi)發(fā)人員珍貴，人才奇缺。例如，ArcEngine、MapObjects、MapX 均基于組件技術(shù)［23，28］，非?；逎y懂。并且，在使用ArcGIS Engine 時(shí)需要大量使用強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)化，IDE 無(wú)法進(jìn)行智能提示，編譯器無(wú)法進(jìn)行類型檢查。

1.3 大數(shù)據(jù)背景下GIS二次開(kāi)發(fā)的必要性

GIS 二次開(kāi)發(fā)課程是地理信息系統(tǒng)專業(yè)的核心課程之一，具有很強(qiáng)的技術(shù)性、應(yīng)用性和實(shí)踐性。在過(guò)去，集成式組件開(kāi)發(fā)（控件開(kāi)發(fā)）是大部分GIS 二次開(kāi)發(fā)的首選方式，開(kāi)發(fā)人員利用自己熟悉的編程語(yǔ)言（例如C#、Java）進(jìn)行編程，速度快、方式靈活。然而，這種開(kāi)發(fā)方式其實(shí)很難滿足大數(shù)據(jù)背景下的現(xiàn)實(shí)需求，具體表現(xiàn)如下：①GIS 控件往往只包括原系統(tǒng)平臺(tái)的少部分功能，一些復(fù)雜的地理分析難以實(shí)現(xiàn)，而地理分析是GIS 的核心。例如ArcToolbox 是ArcGIS 的核心，利用Arcpy 調(diào)用ArcToolbox 進(jìn)行空間分析是解決復(fù)雜空間問(wèn)題的重要方法，但如果用戶使用傳統(tǒng)MapObjects、ArcEngine 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，則根本不可能實(shí)現(xiàn)類似ArcToolbox 的功能；②集成式開(kāi)發(fā)技術(shù)需要精通的C#或其他高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，這對(duì)大部分GIS 數(shù)據(jù)分析人員而言過(guò)于復(fù)雜，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)人員緊缺，時(shí)間急迫，開(kāi)發(fā)人員日夜加班成常態(tài)，但熟練的GIS 技術(shù)員和分析工程師卻幫不上忙，難以滿足大型GIS 工程項(xiàng)目和政府政績(jī)的周期和時(shí)間節(jié)點(diǎn)要求；③基于GIS 控件開(kāi)發(fā)獨(dú)立的程序，需要從零開(kāi)始搭建程序框架，意味著缺少成熟商業(yè)軟件特有的基礎(chǔ)設(shè)施、多源數(shù)據(jù)和多數(shù)據(jù)庫(kù)的支持、空間分析功能等基本且重要的功能，基本不具有擴(kuò)展性。

2 變革背景下的GIS二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言與環(huán)境

2.1 開(kāi)發(fā)語(yǔ)言比較與選擇

GIS 二次開(kāi)發(fā)所選擇的語(yǔ)言應(yīng)該是發(fā)展變化的，能適應(yīng)現(xiàn)代程序設(shè)計(jì)主流（例如云計(jì)算），有較強(qiáng)的大數(shù)據(jù)處理能力。例如，ArcGIS for Desktop 10.8 軟件安裝包大小只有1.3G，而ArcGIS_Desktop_Tutorial_Data 數(shù)據(jù)包就有1.7G。本文在項(xiàng)目教學(xué)中處理的數(shù)據(jù)量達(dá)到數(shù)十TB。

目前，GIS 商業(yè)軟件和開(kāi)源軟件很多，GIS 二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言所面臨的選擇也非常多，為此考察2021 年十大主流編程語(yǔ)言。根據(jù)最新的TIOBE 排行榜（TIOBE Index for October 2021）（www.tiobe.com），選取排名前十的編程語(yǔ)言進(jìn)行分析，如表1所示。

Table 1 Top ten major programming languages of TIOBE in 2021表1 2021年TIOBE十大主流程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言

在上述10 門(mén)編程語(yǔ)言中，C/C++直接操作內(nèi)存和硬件，具有極強(qiáng)的性能優(yōu)勢(shì)，適合專業(yè)程序員作為開(kāi)發(fā)GIS平臺(tái)的系統(tǒng)級(jí)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，但存在控制難度大、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)等問(wèn)題；Java 和C#具有現(xiàn)代編程語(yǔ)言的面向?qū)ο?、類型安全等?yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)速度較快，適合開(kāi)發(fā)界面豐富、業(yè)務(wù)流程復(fù)雜的商業(yè)程序；Visual Basic .NET 的功能與C#類似，但有逐漸邊緣化的趨勢(shì)；經(jīng)典的Visual Basic 最高版本為6.0，之后不再更新，由于網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)等功能較弱，現(xiàn)在主流的GIS開(kāi)發(fā)平臺(tái)不再支持。JavaScript 作為一種腳本語(yǔ)言，與瀏覽器交互效果好，適合作為前端展示，但并不適合算法開(kāi)發(fā)、科學(xué)計(jì)算，絕大部分GIS 都不支持JavaScript 擴(kuò)展其空間分析和大數(shù)據(jù)處理功能；SQL 是數(shù)據(jù)庫(kù)專用語(yǔ)言；PHP 作為服務(wù)器端執(zhí)行的腳本語(yǔ)言，適用于WebGIS 開(kāi)發(fā)并嵌入HTML 中。Python 相對(duì)簡(jiǎn)單易用，開(kāi)發(fā)速度快；動(dòng)態(tài)特性適合GIS 插件開(kāi)發(fā)，用以擴(kuò)展功能；計(jì)算生態(tài)豐富，適合構(gòu)建以大數(shù)據(jù)為中心的高級(jí)應(yīng)用；在人工智能方面具有最好的支持；創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)明顯，學(xué)習(xí)此門(mén)語(yǔ)言對(duì)進(jìn)一步深造和開(kāi)展科學(xué)研究具有很大幫助；該語(yǔ)言開(kāi)源免費(fèi)，不需要授權(quán)，GIS 平臺(tái)對(duì)Python 的支持將會(huì)越來(lái)越豐富。因此，Python適合GIS數(shù)據(jù)分析，是GIS專業(yè)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的首選語(yǔ)言。

2.2 開(kāi)發(fā)環(huán)境比較與選擇

選定Python 作為GIS 二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言后，分析目前主流的集成式開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE，Integrated Development Environment）（見(jiàn)表2），根據(jù)GIS的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)選。

Table 2 Comparison of mainstream Python IDEs表2 主流的Python IDE對(duì)比

IDLE 由Python 軟件自帶，可以拿來(lái)即用，但綜合功能太弱，語(yǔ)法檢查、智能提示、斷點(diǎn)調(diào)試等提高生產(chǎn)力的功能幾乎不具備，效率極低，不合適作為GIS 二次開(kāi)發(fā)的IDE；ArcGIS Python 窗口為ArcGIS 軟件自帶，可以拿來(lái)即用，適合入門(mén)學(xué)習(xí)；PyCharm 是專業(yè)的Python 開(kāi)發(fā)工具，智能提示、自動(dòng)完成、自動(dòng)排版、代碼重構(gòu)、斷點(diǎn)調(diào)試等功能強(qiáng)大，可以快速提升開(kāi)發(fā)效率，適合較為復(fù)雜的代碼；Visual Studio 非常龐大，而且收費(fèi)，但開(kāi)發(fā)功能強(qiáng)大，適合專業(yè)程序員；Visual Studio Code 屬于免費(fèi)的輕量級(jí)開(kāi)發(fā)環(huán)境，對(duì)Python 開(kāi)發(fā)支持比較好，但手動(dòng)配置難度較大，對(duì)初學(xué)者不太友好，適合比較專業(yè)的程序員；Jupyter Notebook 在瀏覽器運(yùn)行，默認(rèn)配置信息、文件和數(shù)據(jù)保存在系統(tǒng)盤(pán)，但在公共多媒體教室和公共計(jì)算機(jī)房出于對(duì)操作系統(tǒng)安全的考慮，對(duì)系統(tǒng)盤(pán)進(jìn)行保護(hù)，在電腦重啟時(shí)將系統(tǒng)盤(pán)到恢復(fù)初始狀態(tài)，默認(rèn)保存在系統(tǒng)盤(pán)的數(shù)據(jù)和文件將會(huì)丟失，因此不適合安裝在公共機(jī)房，但由于瀏覽器的跨平臺(tái)特性，適合用于制作教學(xué)素材。

3 大數(shù)據(jù)背景下GIS二次開(kāi)發(fā)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

3.1 需求分析

以前，GIS 二次開(kāi)發(fā)系統(tǒng)追求“信息系統(tǒng)的工作流、商業(yè)軟件的獨(dú)立界面、空間數(shù)據(jù)的可視化”，處理核心業(yè)務(wù)的程序代碼并不多。目前，相關(guān)科學(xué)技術(shù)發(fā)生深刻變革，GIS軟件繁多、算法成熟、應(yīng)用型顯著加強(qiáng)，開(kāi)源GIS 工具（如GDAL、OGR）和軟件（QGIS、MapWindow）層出不窮。很多先進(jìn)的算法，如人工智能軟件TensorFlow、森林景觀模型LandScape、景觀指數(shù)計(jì)算FragStats 等軟件得以廣泛使用，空間統(tǒng)計(jì)回歸、土地利用變化模擬、地理元胞自動(dòng)機(jī)等算法都已經(jīng)較為成熟并集成到地理信息系統(tǒng)軟件中。GIS 提供了成熟的二三維一體化的可視化功能，界面和空間數(shù)據(jù)可視化不再是GIS 二次開(kāi)發(fā)中需要關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。例如，讀取空間數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系、對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換等，只需要使用Python 調(diào)用API 即可，并不需要顯示空間數(shù)據(jù)，也不需要打開(kāi)GIS軟件。

總之，目前GIS 二次開(kāi)發(fā)的實(shí)踐重點(diǎn)發(fā)生了變化，貼上了開(kāi)源開(kāi)放、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等標(biāo)簽；腳本化和批處理成為自動(dòng)化處理空間大數(shù)據(jù)必不可少的手段；如何快速提高生產(chǎn)力成為GIS二次開(kāi)發(fā)亟需解決的問(wèn)題。

3.2 教學(xué)內(nèi)容

科學(xué)技術(shù)和用戶需求的深刻變化，導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容必然發(fā)生變化，課程的教學(xué)大綱需要綜合優(yōu)化。很多傳統(tǒng)的GIS 二次開(kāi)發(fā)流于表面，局限于常規(guī)的GIS 功能。例如，地圖的縮放、查詢、數(shù)據(jù)加載、要素編輯、專題圖制作、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等，都是GIS 平臺(tái)提供的成熟功能。學(xué)習(xí)傳統(tǒng)的GIS二次開(kāi)發(fā)，可以做出一個(gè)帶有基本功能的GIS，但很難擴(kuò)展現(xiàn)有系統(tǒng)功能，因而難以應(yīng)對(duì)大數(shù)據(jù)空間分析的核心挑戰(zhàn)，對(duì)科學(xué)研究的意義不大。

GIS 的外在表現(xiàn)是空間制圖，內(nèi)在基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)管理，核心功能是空間分析。學(xué)習(xí)二次開(kāi)發(fā)之后，應(yīng)該可以對(duì)已有功能進(jìn)行集成，進(jìn)行批處理；或者開(kāi)發(fā)新算法，加入新功能?？紤]到技術(shù)更迭和可持續(xù)發(fā)展，GIS 二次開(kāi)發(fā)課程應(yīng)當(dāng)適當(dāng)具有前瞻性和引領(lǐng)性，“1+3”個(gè)面向，第一個(gè)是面向未來(lái)，而面向未來(lái)意味著面向大數(shù)據(jù)，面向科學(xué)計(jì)算，面向人工智能。其邏輯關(guān)系是大數(shù)據(jù)是GIS 的血液，科學(xué)計(jì)算是處理空間大數(shù)據(jù)的方法，而其中人工智能是科學(xué)計(jì)算的重要組成部分。

在“1+3”面向的思想指導(dǎo)下，將空間數(shù)據(jù)制圖、空間數(shù)據(jù)管理和空間分析的作為二次開(kāi)發(fā)的核心內(nèi)容，使GIS 二次開(kāi)發(fā)成為解決科學(xué)研究、生產(chǎn)工程、技術(shù)創(chuàng)新的有效手段?？臻g數(shù)據(jù)制圖主要是對(duì)地圖和圖層的基本操作，目的是實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)可視化、制圖自動(dòng)化；數(shù)據(jù)管理是GIS 開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)，主要進(jìn)行空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的存取，目的是對(duì)地理大數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，同時(shí)也是地理處理工具的入口；空間分析主要是調(diào)用工具對(duì)地理大數(shù)據(jù)進(jìn)行批處理組件工作流，同時(shí)通過(guò)開(kāi)發(fā)算法定制獨(dú)特的工具，GIS 二次開(kāi)發(fā)內(nèi)容設(shè)置如表3 所示。各部分都有典型應(yīng)用案例，內(nèi)容循序漸進(jìn)，逐步深入到GIS開(kāi)發(fā)的核心［29］。

Table 3 Content for GIS secondary development表3 GIS二次開(kāi)發(fā)內(nèi)容設(shè)置

對(duì)于GIS 平臺(tái)本身具有的基本功能（如地圖的縮放漫游操作）、必須手工操作實(shí)現(xiàn)更為方便的功能（如圖層符號(hào)化）、在計(jì)算生態(tài)中有比較成熟的解決方案的內(nèi)容（如土地利用轉(zhuǎn)移矩陣），就不再作為GIS開(kāi)發(fā)的優(yōu)選內(nèi)容。

4 GIS二次開(kāi)發(fā)的痛點(diǎn)與對(duì)策

GIS 二次開(kāi)發(fā)的本質(zhì)是在精通GIS 原理、熟悉GIS 操作的基礎(chǔ)上，對(duì)GIS 平臺(tái)提供的API 進(jìn)行合理調(diào)用的過(guò)程。API數(shù)量巨大、記憶負(fù)擔(dān)重、思維抽象、函數(shù)調(diào)用語(yǔ)法復(fù)雜、復(fù)現(xiàn)難，極易出錯(cuò)。如果在編寫(xiě)程序時(shí)需要反復(fù)查找API、記憶函數(shù)名稱、確認(rèn)拼寫(xiě)等，則需要花費(fèi)大量時(shí)間，降低了開(kāi)發(fā)流暢度，影響了開(kāi)發(fā)效率，糟糕的開(kāi)發(fā)體驗(yàn)會(huì)給初學(xué)者造成較大壓力，使之失去進(jìn)一步學(xué)習(xí)的信心和興趣。通過(guò)優(yōu)化課程體系設(shè)置，提高教學(xué)技巧，可提高初學(xué)者開(kāi)發(fā)體驗(yàn)，增強(qiáng)其學(xué)習(xí)的信心。

4.1 課程體系設(shè)置

以夯實(shí)基礎(chǔ)為目的，采用Python 作為“高級(jí)程序語(yǔ)言設(shè)計(jì)”“數(shù)據(jù)機(jī)構(gòu)和算法”“空間數(shù)據(jù)庫(kù)”的實(shí)施語(yǔ)言，逐步加深對(duì)Python 的理解，消除對(duì)Python 的恐懼心理。如果沒(méi)有前面的扎實(shí)基礎(chǔ)，直接入手GIS 二次開(kāi)發(fā)，則很難靈活變通。大型GIS 平臺(tái)都采用了空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎，屏蔽了數(shù)據(jù)庫(kù)底層的物理結(jié)構(gòu)，因而GIS 二次開(kāi)發(fā)并不需要針對(duì)特定的空間數(shù)據(jù)庫(kù)修改教學(xué)大綱。

4.2 教學(xué)設(shè)計(jì)技巧

在教學(xué)設(shè)計(jì)上，通過(guò)自動(dòng)代碼生成，探索式開(kāi)發(fā)，將常用代碼片段總結(jié)成模板，降低初學(xué)門(mén)檻，減輕記憶負(fù)擔(dān)。

（1）自動(dòng)式代碼生成。由于Python 窗口支持拖放式的自動(dòng)生成代碼［29］，拖放工具自動(dòng)生成函數(shù)，拖放數(shù)據(jù)自動(dòng)生成參數(shù)，基本不用記憶和查詢函數(shù)名稱和用法即可快速入門(mén)GIS二次開(kāi)發(fā)，即刻體驗(yàn)開(kāi)發(fā)的樂(lè)趣。

以查詢某一要素類的個(gè)數(shù)為例［29］：在工具箱里找到Get Count，拖放到Python 窗口，會(huì)自動(dòng)生成函數(shù)，在內(nèi)容列表或目錄窗口拖放圖層或數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成函數(shù)的參數(shù)，如圖1所示。

Fig.1 Code generation by dragging and dropping圖1 拖放式代碼生成

（2）探索式程序開(kāi)發(fā)。在現(xiàn)代面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思想指導(dǎo)下，通過(guò)命名空間（模塊）、類、成員的層次結(jié)構(gòu)，分類組織API，通過(guò)IDE 的上下文智能提示和自動(dòng)完成，可以通覽對(duì)象成員，快速探索API；API 本身有許多列舉函數(shù)，可以列舉出所有成員；Python 可以通過(guò)dir 函數(shù)，查找出對(duì)象的所有成員。例如，for attr in dir（mxd）：print（attr，getattr（mxd，attr）），可以列舉出地圖文檔mxd 的所有成員。利用這種探索式開(kāi)發(fā)方式，邊學(xué)習(xí)邊擴(kuò)充知識(shí)，快速熟悉更多的API。

（3）模板式代碼片段。在GIS 二次開(kāi)發(fā)過(guò)程中，有很多框架式代碼，只需要修改參數(shù)，就可將其應(yīng)用于不同的場(chǎng)景。例如，下面的程序片段為獲取第一個(gè)圖層代碼，這是很多程序的入口，可以作為標(biāo)準(zhǔn)模版重復(fù)使用。

將GIS二次開(kāi)發(fā)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)設(shè)計(jì)技巧整理成教材《基于Python 的ArcGIS 二次開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)教程》，已由武漢大學(xué)出版社出版［29］。

5 GIS二次開(kāi)發(fā)實(shí)踐項(xiàng)目案例與分析

GIS 二次開(kāi)發(fā)能顯著提升GIS 數(shù)據(jù)生產(chǎn)、加工效率和科研深度，能將科學(xué)思想迅速轉(zhuǎn)化為科研成果，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值和社會(huì)價(jià)值。在實(shí)際項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中，如果GIS 二次開(kāi)發(fā)模式選擇合理、技術(shù)路線設(shè)計(jì)科學(xué)、技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)豐富，則可以起到事半功倍的效果；反之，如果GIS 二次開(kāi)發(fā)模式不合時(shí)宜、技術(shù)路線不科學(xué)、技術(shù)人員沉留于傳統(tǒng)的界面開(kāi)發(fā)和功能組裝，缺少現(xiàn)代地理數(shù)據(jù)分析的觀念和技能，則事倍功半，甚至導(dǎo)致項(xiàng)目失敗。

5.1 成功案例

成功案例為“基于GIS 的不動(dòng)產(chǎn)證制作系統(tǒng)”的開(kāi)發(fā)。2014 年底，中央出臺(tái)《關(guān)于引導(dǎo)農(nóng)村土地經(jīng)營(yíng)權(quán)有序流轉(zhuǎn)發(fā)展農(nóng)業(yè)適度規(guī)模經(jīng)營(yíng)的意見(jiàn)》，提出用5 年時(shí)間基本完成土地承包經(jīng)營(yíng)權(quán)確權(quán)登記頒證工作，共涉及2 838 個(gè)縣（市、區(qū)）及開(kāi)發(fā)區(qū)、3.4 萬(wàn)個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、55 萬(wàn)多個(gè)行政村，15 億畝承包地的確權(quán)工作［30］。全國(guó)通過(guò)野外GNSS RTK 測(cè)量、無(wú)人機(jī)航拍、全站儀實(shí)測(cè)等多手段采集數(shù)據(jù)；在機(jī)房利用ArcGIS、CASS for AutoCAD 等軟件繪制權(quán)屬地圖、建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)［31］。農(nóng)村土地承包經(jīng)營(yíng)權(quán)確權(quán)登記將農(nóng)村土地承包經(jīng)營(yíng)權(quán)的承包關(guān)系、承包地塊、面積、空間位置、用途、地類、等級(jí)等情況記錄于專門(mén)的簿冊(cè)，這是明晰土地承包關(guān)系，強(qiáng)化對(duì)土地承包經(jīng)營(yíng)權(quán)的物權(quán)保護(hù)，保持現(xiàn)有土地承包關(guān)系穩(wěn)定并長(zhǎng)久不變的根本手段［17］。

建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)后，國(guó)家希望快速制作土地承包經(jīng)營(yíng)權(quán)證書(shū)，提出“應(yīng)發(fā)盡發(fā)”的要求。在面臨著“數(shù)據(jù)量大、任務(wù)重、時(shí)間短、經(jīng)費(fèi)低”的挑戰(zhàn)下，本文采用項(xiàng)目教學(xué)方式，承擔(dān)了數(shù)十個(gè)縣市的經(jīng)營(yíng)權(quán)證書(shū)印制工作。具體技術(shù)路線是基于Python 語(yǔ)言，主要通過(guò)調(diào)用ArcGIS 的ArcPy 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，研制了“農(nóng)村土地承包經(jīng)營(yíng)權(quán)證書(shū)系統(tǒng)”。該軟件讀取空間數(shù)據(jù)庫(kù)和Excel 數(shù)據(jù)表，通過(guò)空間分析動(dòng)態(tài)調(diào)整出圖比例尺，批量生成精美、規(guī)范的土地承包經(jīng)營(yíng)權(quán)證書(shū)，智能化程度高、適應(yīng)范圍廣，為保障2 億農(nóng)戶農(nóng)村土地承包經(jīng)營(yíng)權(quán)證書(shū)的頒發(fā)提供了技術(shù)手段和應(yīng)用示范，在本地區(qū)本行業(yè)甚至在全國(guó)產(chǎn)生了較大影響力和示范作用。

5.2 失敗案例

失敗案例是一個(gè)“不動(dòng)產(chǎn)確權(quán)登記中間數(shù)據(jù)庫(kù)”項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。2021 年，全國(guó)范圍實(shí)施“房地一體”確權(quán)登記工作，目的是對(duì)宗地和房屋進(jìn)行權(quán)屬調(diào)查和高精度測(cè)繪，這是實(shí)施推進(jìn)宅基地“三權(quán)分置”改革工作的基礎(chǔ)，不動(dòng)產(chǎn)統(tǒng)一登記的基本內(nèi)容。該項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中綜合利用無(wú)人機(jī)航拍、權(quán)屬實(shí)地調(diào)查、地籍RTK 測(cè)量；利用Pix4D 制作正射影像、Context Capture 進(jìn)行傾斜攝影三維建模；利用CAD、GIS等軟件制圖，所獲得數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)、幾何精度高。2021年夏季，某縣自然資源局為了加快推動(dòng)“房地一體”的實(shí)施，后期充分利用“房地一體”項(xiàng)目所獲得的寶貴數(shù)據(jù)，擬建設(shè)“不動(dòng)產(chǎn)確權(quán)登記中間數(shù)據(jù)庫(kù)”，項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)400 萬(wàn)元，主要功能包括多源數(shù)據(jù)輸入、外業(yè)調(diào)查任務(wù)分配和進(jìn)度跟蹤、調(diào)查數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、宅基地和房產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、“一戶一宅”合法性分析，達(dá)到房產(chǎn)證“應(yīng)發(fā)盡發(fā)”的目的，滿足2021 年底房產(chǎn)證發(fā)放率達(dá)到80%的省控要求。

“不動(dòng)產(chǎn)確權(quán)登記中間數(shù)據(jù)庫(kù)”項(xiàng)目的技術(shù)負(fù)責(zé)方具有成功實(shí)施“地籍管理信息系統(tǒng)”的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，筆者作為合作方旁聽(tīng)了研討會(huì)。如果此項(xiàng)目進(jìn)展順利，將會(huì)引入為項(xiàng)目教學(xué)，讓教師和學(xué)生參與后期技術(shù)開(kāi)發(fā)和數(shù)據(jù)處理。本項(xiàng)目采用的技術(shù)路線如下：在某著名的通用GIS 平臺(tái)基礎(chǔ)上，采用GIS 組件進(jìn)行集成式二次開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言采用C#，開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Visual Studio，空間數(shù)據(jù)庫(kù)采用Oracle。技術(shù)路線和軟件框架對(duì)接現(xiàn)有的“地籍管理信息系統(tǒng)”，可以大量使用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)和“地籍管理信息系統(tǒng)”的功能和部分代碼。軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，將控件作為載體，以地圖查看和數(shù)據(jù)庫(kù)的“增刪改查”等常規(guī)內(nèi)容作為開(kāi)發(fā)的切入點(diǎn)。項(xiàng)目開(kāi)始幾周后，技術(shù)承擔(dān)單位還在進(jìn)行GIS 基本功能開(kāi)發(fā)，進(jìn)度太慢，遠(yuǎn)不能滿足國(guó)家對(duì)“房地一體”項(xiàng)目時(shí)間節(jié)點(diǎn)的要求，開(kāi)發(fā)的功能滿足不了“一戶一宅”分析的靈活性和功能的完備性要求，項(xiàng)目未能按計(jì)劃實(shí)施而失敗，造成較大損失。

經(jīng)過(guò)分析，此項(xiàng)目的核心訴求是大數(shù)據(jù)分析。例如，“建筑面積超限、占地面積超限、宅基地?cái)?shù)量超限、手續(xù)不全”等多種情況及其組合，均可導(dǎo)致不符合“一戶一宅”的要求，因此從軟件開(kāi)發(fā)實(shí)踐上而言，“一戶多宅”情況難以窮舉。該項(xiàng)目除房產(chǎn)證發(fā)放屬于工作流外，其他功能需求本質(zhì)也屬于數(shù)據(jù)分析。在軟件功能過(guò)于復(fù)雜、難度較高、靈活性較強(qiáng)、不能準(zhǔn)確確定開(kāi)發(fā)邊界的前提下，采用Python 開(kāi)發(fā)基本功能，GIS 分析員快速參與進(jìn)來(lái)，通過(guò)腳本或者可視化建模組合功能，推動(dòng)項(xiàng)目進(jìn)展，是更好的設(shè)計(jì)思路。

6 結(jié)語(yǔ)

大數(shù)據(jù)分析具有很大的不確定性，包括數(shù)據(jù)的不確定、軟件功能的不確定、算法的不確定以及結(jié)論的不確定，因此是一個(gè)逐步優(yōu)化的過(guò)程。Python 語(yǔ)言由于簡(jiǎn)明、動(dòng)態(tài)、開(kāi)源、適合于數(shù)據(jù)密集型和計(jì)算密集型任務(wù)，與人工智能結(jié)合緊密、計(jì)算生態(tài)豐富，為GIS 二次開(kāi)發(fā)的首選語(yǔ)言。GIS 軟件廠商對(duì)Python 的支持越來(lái)越好，上下文智能提示、自動(dòng)代碼生成、斷點(diǎn)調(diào)試等高級(jí)功能可以顯著提升開(kāi)發(fā)效率，提升開(kāi)發(fā)流暢度。GIS 二次開(kāi)發(fā)入門(mén)推薦使用內(nèi)置的Python Window；而后面的課程綜合實(shí)習(xí)、項(xiàng)目教學(xué)實(shí)訓(xùn)適合采用PyCharm 進(jìn)行較大規(guī)模的代碼開(kāi)發(fā)；教學(xué)視頻課程制作可以采用Jupyter Notebook，這是因?yàn)镴upyter Notebook在瀏覽器里運(yùn)行，在不同平臺(tái)的操作和表現(xiàn)比較一致。

為了應(yīng)對(duì)GIS 二次開(kāi)發(fā)入門(mén)難、精通難的痛點(diǎn)，在專業(yè)課程體系設(shè)置上，建議采用Python 作為高級(jí)程序語(yǔ)言設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)機(jī)構(gòu)和算法、空間數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)施語(yǔ)言，先夯實(shí)基礎(chǔ)。通過(guò)代碼自動(dòng)生成，減輕記憶和拼寫(xiě)負(fù)擔(dān)，可以快速入門(mén)GIS 二次開(kāi)發(fā)；探索式開(kāi)發(fā)方式可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中快速熟悉API，為可持續(xù)學(xué)習(xí)提供了切實(shí)可行的方法；優(yōu)化的工作流代碼模板是一些典型任務(wù)總結(jié)出來(lái)的代碼片段，可以拿來(lái)即用，快速提高項(xiàng)目開(kāi)發(fā)效率。

使用Python 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，適合于GIS 數(shù)據(jù)分析人員，除能夠顯著提升開(kāi)發(fā)效率、降低開(kāi)發(fā)難度外，還有一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)是能利用原GIS 平臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)施和擴(kuò)展特性。例如，在進(jìn)行不動(dòng)產(chǎn)證制作時(shí)，只需使用Python 調(diào)用API開(kāi)發(fā)出單個(gè)證書(shū)制作的地理處理工具；當(dāng)需要對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，可以利用GIS 平臺(tái)提供的模型構(gòu)建器，通過(guò)迭代數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)集進(jìn)行批處理。由于腳本的靈活性，功能可以隨時(shí)修改和擴(kuò)充；鑒于GIS 平臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)施和擴(kuò)展特性，GIS 分析師可以盡早參與到項(xiàng)目中，輔助軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程，通過(guò)模型構(gòu)建器組合不同的地理處理工具，應(yīng)用不同的策略和工作流進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，這是應(yīng)對(duì)大數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)極為有效的手段。

在教學(xué)資料方面，目前GIS 操作應(yīng)用類教材層出不窮，GIS 二次開(kāi)發(fā)的教材較少，而且主要以是傳統(tǒng)的組件式開(kāi)發(fā)內(nèi)容居多，GIS 二次開(kāi)發(fā)的視頻類教程更是稀缺。未來(lái)將進(jìn)一步完善大數(shù)據(jù)背景下的GIS 二次開(kāi)發(fā)教材，制作對(duì)應(yīng)的教學(xué)視頻，及時(shí)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算并構(gòu)建人工智能模型，為應(yīng)對(duì)地理大數(shù)據(jù)分析提供理論支撐和項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐參考。